SISTEMAS OPERATIVOS: COMUNICACIÓN Y SINCRONIZACIÓN ENTRE PROCESOS. Hilos y mecanismos de comunicación y sincronización

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1 SISTEMAS OPERATIVOS: COMUNICACIÓN Y SINCRONIZACIÓN ENTRE PROCESOS Hilos y mecanismos de comunicación y sincronización

2 Contenido 2 Comunicación y sincronización. Semáforos. El problema de los lectores escritores. Solución con semáforos. Mutex y variables condición.

3 Mecanismos de comunicación 3 Los mecanismos de comunicación permiten la transferencia de información entre dos procesos. Archivos Tuberías (pipes, FIFOS) Variables en memoria compartida Paso de mensajes

4 Mecanismos de sincronización 4 Los mecanismos de sincronización permiten forzar a un proceso a detener su ejecución hasta que ocurra un evento en otro proceso. Construcciones de los lenguajes concurrentes (procesos ligeros) Servicios del sistema operativo: Señales (asincronismo) Tuberías (pipes, FIFOS) Semáforos Mutex y variables condicionales Paso de mensajes Las operaciones de sincronización deben ser atómicas

5 Semáforos POSIX 5 Mecanismo de sincronización para procesos y/o threads en la misma máquina Semáforos POSIX de dos tipos: Semáforos con nombre: puede ser usado por distintos procesos que conozcan el nombre. No requiere memoria compartida. Semáforos sin nombre: pueden ser usados solo por el procesos que los crea (y sus threads) o por procesos que tengan una zona de memoria compartida. #include <semaphore.h> sem_t *semaforo; //nombrados sem_t semaforo; // no nombrado

6 Semáforos POSIX 6 int sem_init(sem_t *sem, int shared, int val); Inicializa un semáforo sin nombre int sem_destroy(sem_t *sem); Destruye un semáforo sin nombre sem_t *sem_open(char *name, int flag, mode_t mode, int val); Abre (crea) un semáforo con nombre. int sem_close(sem_t *sem); Cierra un semáforo con nombre. int sem_unlink(char *name); Borra un semáforo con nombre. int sem_wait(sem_t *sem); Realiza la operación wait sobre un semáforo. int sem_trywait (sem_t *sem) Intenta hacer wait, pero si está bloqueado vuelve sin hacer nada y da -1 int sem_post(sem_t *sem); Realiza la operación signal sobre un semáforo.

7 Secciones críticas con semáforos 7 sem_wait(s); /* entrada en la seccion critica */ < seccion critica > sem_post (s); /* salida de la seccion critica */ El semáforo debe tener valor inicial 1 o superior Valor del semáforo (s) P 0 P 1 P wait(s) wait(s) wait(s) -1 signal(s) desbloquea 0 signal(s) desbloquea Ejecutando código de la sección crítica 1 signal(s) Proceso bloqueado en el semáforo

8 Operaciones sobre semáforos 8 sem_wait(s) { s = s - 1; if (s <= 0) { <Bloquear al proceso> sem_post(s) { s = s + 1; if (s > 0) <Desbloquear a un proceso bloqueado por la operacion wait>

9 Semáforos sin nombre. Ejemplo: Productor-consumidor. 9 #define MAX_BUFFER 1024 /* tamanio del buffer */ #define DATOS_A_PRODUCIR /* datos a producir */ sem_t elementos; /* elementos en el buffer */ sem_t huecos; /* huecos en el buffer */ int buffer[max_buffer]; /* buffer comun */ void main(void) { pthread_t th1, th2; /* identificadores de threads */ /* inicializar los semaforos */ sem_init(&elementos, 0, 0); sem_init(&huecos, 0, MAX_BUFFER); Productor Consumidor

10 Productor-consumidor con semáforos 10 /* crear los procesos ligeros */ pthread_create(&th1, NULL, Productor, NULL); pthread_create(&th2, NULL, Consumidor, NULL); /* esperar su finalizacion */ pthread_join(th1, NULL); pthread_join(th2, NULL); sem_destroy(&huecos); sem_destroy(&elementos); exit(0);

11 Semáforos sin nombre. Productor-consumidor: Hilo productor 11 void Productor(void) /* codigo del productor */ { int pos = 0; /* posicion dentro del buffer */ int dato; /* dato a producir */ int i; for(i=0; i < DATOS_A_PRODUCIR; i++ ) { dato = i; /* producir dato */ sem_wait(&huecos); /* un hueco menos */ buffer[pos] = i; pos = (pos + 1) % MAX_BUFFER; sem_post(&elementos); /* un elemento mas */ pthread_exit(0);

12 Semáforos sin nombre. Productor-consumidor: Hilo consumidor 12 void Consumidor(void) /* codigo del Consumidor */ { int pos = 0; int dato; int i; for(i=0; i < DATOS_A_PRODUCIR; i++ ) { sem_wait(&elementos); /* un elemento menos */ dato = buffer[pos]; pos = (pos + 1) % MAX_BUFFER; sem_post(&huecos); /* un hueco mas */ /* cosumir dato */ pthread_exit(0);

13 Problema de los lectores-escritores 13 Problema que se plantea cuando se tiene un área de almacenamiento compartida. Múltiples procesos leen información. Múltiples procesos escriben información. Lector Lector Escritor Lector Escritor Condiciones: Cualquier número de lectores pueden leer de la zona de datos concurrentemente. Solamente un escritor puede modificar la información a la vez. Durante una escritura ningún lector puede realizar una consulta. Recurso

14 Diferencias con otros problemas 14 Exclusión mutua: En el caso de la exclusión mutua solamente se permitiría a un proceso acceder a la información. No se permitiría concurrencia entre lectores. Productor consumidor: En el productor/consumidor los dos procesos modifican la zona de datos compartida. Objetivos de restricciones adicionales: Proporcionar una solución más eficiente.

15 Alternativas de gestión 15 Los lectores tienen prioridad. Si hay algún lector en la sección crítica otros lectores pueden entrar. Un escritor solamente puede entrar en la sección crítica si no hay ningún proceso. Problema: Inanición para escritores. Los escritores tienen prioridad. Cuando un escritor desea acceder a la sección crítica no se admite la entrada de nuevos lectores.

16 Los lectores tienen prioridad 16 int nlect; semaforo lec=1; semaforo = escr=1; Lector for(;;) { semwait(lec); nlect++; if (nlect==1) semwait(escr); semsignal(lec); Escritor for(;;) { semwait(escr); realizar_escr(); semsignal(escr); realizar_lect(); semwait(lec); nlect--; if (nlect==0) semsignal(escr); semsignal(lec);

17 17 Semáforos sin nombre. Lectores-escritores con semáforos int dato = 5; /* recurso */ int n_lectores = 0; /* num lectores */ sem_t sem_lec; /* control el acceso n_lectores */ sem_t mutex; acceso a dato */ void main(void) { /* controlar el pthread_t th1, th2, th3, th4 sem_init(&mutex, 0, 1); sem_init(&sem_lec, 0, 1); pthread_create(&th1, NULL, Lector, NULL); pthread_create(&th2, NULL, Escritor, NULL); pthread_create(&th3, NULL, Lector, NULL); pthread_create(&th4, NULL, Escritor, NULL); pthread_join(th1, NULL); pthread_join(th2, NULL); pthread_join(th3, NULL); pthread_join(th4, NULL); /* cerrar todos los semaforos */ sem_destroy(&mutex); sem_destroy(&sem_lec); exit(0);

18 Semáforos sin nombre. Lectores-escritores:Hilo lector y escritor 18 void Lector(void) { /* codigo del lector */ sem_wait(&sem_lec); n_lectores = n_lectores + 1; if (n_lectores == 1) sem_wait(&mutex); sem_post(&sem_lec); printf(``%d\n'', dato); /* leer dato */ sem_wait(&sem_lec); n_lectores = n_lectores - 1; if (n_lectores == 0) sem_post(&mutex); sem_post(&sem_lec); pthread_exit(0); void Escritor(void) { /* codigo del escritor */ sem_wait(&mutex); dato = dato + 2; /* modificar el recurso */ sem_post(&mutex); pthread_exit(0);

19 Semáforos con nombre Nombrado 19 Permiten sincronizar procesos distintos sin usar memoria compartida. El nombre de un sema foro es una cadena de caracteres (con las mismas restricciones de un nombre de fichero). Si el nombre (ruta) es relativa, solo puede acceder al sema foro el proceso que lo crea y sus hijos. Si el nombre es absoluto (comienza por / ) el sema foro puede ser compartido por cualquier proceso que sepa su nombre y tenga permisos. Mecanismo habitual para crear semáforos que comparten padres e hijos Los sin nombre no valen -> los procesos NO comparten memoria.

20 Semáforos con nombre Creación y uso 20 Para crearlo: sem_t *sem_open(char *name, int flag, mode_t mode,int val); Flag = O_CREAT lo crea. Flag: O_CREAT O_EXECL. Lo crea si no existe. -1 en caso de que exista. Mode: permisos de acceso; Val: valor incial del semáforo (>=0); Para usarlo: sem_t *sem_open(char *name, int flag); Con flag 0. Si no existe devuelve -1. Importante: Todos los procesos deben conocer name y usar el mismo.

21 21 Semáforos con nombre: Lectores - Escritores int dato = 5; /* recurso */ int n_lectores = 0; /* num lectores */ sem_t *sem_lec; sem_t *mutex; int main (int argc, char *argv[]) { int i, n= 5; pid_t pid; /* Crea el semáforo nombrado */ if((mutex=sem_open("/tmp/sem_1", O_CREAT, 0644, 1))==(sem_t *)-1) { perror("no se puede crear el semaforo"); exit(1); if((sem_lec=sem_open("/tmp/sem_2", O_CREAT, 0644, 1))==(sem_t *)-1) { perror("no se puede crear el semraáforo"); exit(1); /* Crea los procesos */ for (i = 1; i< atoi(argv[1]); ++i){ pid = fork(); if (pid ==-1) { perror("no se puede crear el proceso"); exit(-1); else if(pid==0) { /child lector(getpid()); break; escritor(pid); /* parent */ sem_close(mutex); sem_close(sem_lec); sem_unlink("/tmp/sem_1"); sem_unlink("/tmp/sem_2");

22 22 Semáforos con nombre: Procesos lectores y escritores void lector (int pid) { sem_wait(sem_lec); n_lectores = n_lectores + 1; if (n_lectores == 1) sem_wait(mutex); sem_post(sem_lec); printf( lector %d dato: %d\n", pid, dato); /* leer dato */ sem_wait(sem_lec); n_lectores = n_lectores - 1; if (n_lectores == 0) sem_post(mutex); sem_post(sem_lec); void escritor (int pid) { sem_wait(mutex); dato = dato + 2; el recurso */ /* modificar printf("escritor %d dato: %d\n", pid, dato); /* leer dato */ sem_post(mutex);

23 Mutex y variables condicionales 23 Un mutex es un mecanismo de sincronización indicado para procesos ligeros. Es un semáforo binario con dos operaciones atómicas: lock(m) Intenta bloquear el mutex, si el mutex ya está bloqueado el proceso se suspende. unlock(m) Desbloquea el mutex, si existen procesos bloqueados en el mutex se desbloquea a uno.

24 Secciones críticas con mutex 24 lock(m); /* entrada en la seccion critica */ < seccion critica > unlock(s); /* salida de la seccion critica */ La operación unlock debe realizarla el proceso ligero que ejecutó lock Proceso ligero A Proceso ligero B lock mutex lock mutex Sección crítica unlock mutex obtiene mutex Proceso ligero ejecutando Proceso ligero bloqueado Punto de sincronización

25 Variables condicionales 25 Variables de sincronización asociadas a un mutex Dos operaciones atómicas: wait Bloquea al proceso ligero que la ejecuta y le expulsa del mutex signal Desbloquea a uno o varios procesos suspendidos en la variable condicional. El proceso que se despierta compite de nuevo por el mutex Conveniente ejecutarlas entre lock y unlock

26 Variables condicionales 26 Proceso ligero A Proceso ligero B lock lock wait Adquiere el mutex unlock mutex Se compite por el mutex Adquiere el mutex signal unlock Proceso ligero bloqueado esperando unlock Proceso ligero bloqueado esperando signal

27 Uso de mutex y variables condicionales 27 Proceso ligero A lock(mutex); /* acceso al recurso */ comprobar las estructuras de datos; while (recurso ocupado) wait(condition, mutex); marcar el recurso como ocupado; unlock(mutex); Proceso ligero B lock(mutex); /* acceso al recurso */ marcar el recurso como libre; signal(condition, mutex); unlock(mutex); Importante utilizar while

28 Servicios POSIX 28 int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, pthread_mutexattr_t * attr); Inicializa un mutex. int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex) ; Destruye un mutex. int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); Intenta obtener el mutex. Bloquea al proceso ligero si el mutex se encuentra adquirido por otro proceso ligero. int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); Desbloquea el mutex. int pthread_cond_init(pthread_cond_t*cond, pthread_condattr_t*attr); Inicializa una variable condicional.

29 Servicios POSIX 29 int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond); Destruye un variable condicional. int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond); Se reactivan uno o más de los procesos ligeros que están suspendidos en la variable condicional cond. No tiene efecto si no hay ningún proceso ligero esperando (diferente a los semáforos). int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); Todos los threads suspendidos en la variable condicional cond se reactivan. No tiene efecto si no hay ningún proceso ligero esperando. int pthread_cond_wait(pthread_cond_t*cond, pthread_mutex_t*mutex); Suspende al proceso ligero hasta que otro proceso señaliza la variable condicional cond. Automáticamente se libera el mutex. Cuando se despierta el proceso ligero vuelve a competir por el mutex.

30 Productor consumidor con mutex 30 #define MAX_BUFFER 1024 /* tamanio del buffer */ #define DATOS_A_PRODUCIR /* datos a producir */ pthread_mutex_t mutex; /* mutex de acceso al buffer compartido */ pthread_cond_t no_lleno; /* controla el llenado del buffer */ pthread_cond_t no_vacio; /* controla el vaciado del buffer */ int n_elementos; /* numero de elementos en el buffer */ int buffer[max_buffer]; /* buffer comun */ main(int argc, char *argv[]){ pthread_t th1, th2; pthread_mutex_init(&mutex, NULL); pthread_cond_init(&no_lleno, NULL); pthread_cond_init(&no_vacio, Sistemas Operativos.- Hilos NULL); y Sincronización

31 Productor-consumidor con mutex 31 pthread_create(&th1, NULL, Productor, NULL); pthread_create(&th2, NULL, Consumidor, NULL); pthread_join(th1, NULL); pthread_join(th2, NULL); pthread_mutex_destroy(&mutex); pthread_cond_destroy(&no_lleno); pthread_cond_destroy(&no_vacio); exit(0);

32 Productor 32 void Productor(void) { /* codigo del productor */ int dato, i,pos = 0; for(i=0; i < DATOS_A_PRODUCIR; i++ ) { dato = i; /* producir dato */ pthread_mutex_lock(&mutex); /* acceder al buffer */ while (n_elementos == MAX_BUFFER) /* si buffer lleno */ pthread_cond_wait(&no_lleno, &mutex); /* se bloquea */ buffer[pos] = i; pos = (pos + 1) % MAX_BUFFER; n_elementos ++; pthread_cond_signal(&no_vacio); /* buffer no vacio */ pthread_mutex_unlock(&mutex); pthread_exit(0);

33 Consumidor 33 void Consumidor(void) { /* codigo del sonsumidor */ int dato, i,pos = 0; for(i=0; i < DATOS_A_PRODUCIR; i++ ) { pthread_mutex_lock(&mutex); /* acceder al buffer */ while (n_elementos == 0) /* si buffer vacio */ pthread_cond_wait(&no_vacio, &mutex); /* se bloquea */ dato = buffer[pos]; pos = (pos + 1) % MAX_BUFFER; n_elementos --; pthread_cond_signal(&no_lleno); /* buffer no lleno */ pthread_mutex_unlock(&mutex); printf("consume %d \n", dato); /* consume dato */ pthread_exit(0);

34 Lectores-escritores con mutex 34 int dato = 5; /* recurso */ int n_lectores = 0; /* numero de lectores */ pthread_mutex_t mutex; /* controlar el acceso a dato */ pthread_mutex_t mutex_lectores; /* controla acceso n_lectores */ main(int argc, char *argv[]) { pthread_t th1, th2, th3, th4; pthread_mutex_init(&mutex, NULL); pthread_cond_init(&no_lectores, NULL); pthread_create(&th1, NULL, Lector, NULL); pthread_create(&th2, NULL, Escritor, NULL); pthread_create(&th3, NULL, Lector, NULL); pthread_create(&th4, Sistemas Operativos.- NULL, Hilos Escritor, y Sincronización NULL);

35 Lectores-escritores con mutex 35 pthread_join(th1, NULL); pthread_join(th2, NULL); pthread_join(th3, NULL); pthread_join(th4, NULL); pthread_mutex_destroy(&mutex); pthread_cond_destroy(&no_lectores); exit(0);

36 Escritor 36 void Escritor(void) { /* codigo del escritor */ pthread_mutex_lock(&mutex); dato = dato + 2; /* modificar el recurso */ pthread_mutex_unlock(&mutex); pthread_exit(0);

37 Lector 37 void Lector(void) { /* codigo del lector */ pthread_mutex_lock(&mutex_lectores); n_lectores++; if (n_lectores == 1) pthread_mutex_lock(&mutex); pthread_mutex_unlock(&mutex_lectores); printf("%d\n", dato); /* leer dato */ pthread_mutex_lock(&mutex_lectores); n_lectores--; if (n_lectores == 0) pthread_mutex_unlock(&mutex); pthread_mutex_unlock(&mutex_lectores); pthread_exit(0);

38 SISTEMAS OPERATIVOS: COMUNICACIÓN Y SINCRONIZACIÓN ENTRE PROCESOS Mecanismos de comunicación y sincronización